石油钻井设备与工具-钻头选型

1、第二节 钻头选型前言1 1、目的意义、目的意义 钻头种类较多，各有特点钻头种类较多，各有特点; ; 同一种钻头，结构参数不同，适应性不同同一种钻头，结构参数不同，适应性不同; ; 同一种型号，厂家不同，钻头性能不同。同一种型号，厂家不同，钻头性能不同。 选择哪一种类型的钻头，同种钻头选择哪一种型号的选择哪一种类型的钻头，同种钻头选择哪一种型号的钻头，同一种型号选择哪一个厂家的钻头，直接关系到钻钻头，同一种型号选择哪一个厂家的钻头，直接关系到钻井成本。因此钻头优选对于提高钻井速度降低钻井成本具井成本。因此钻头优选对于提高钻井速度降低钻井成本具有重要意义。有重要意义。2 2、钻头优选的原则、钻头优

2、选的原则 钻头优选的原则是使钻头的每米成本最低。钻头优选的原则是使钻头的每米成本最低。目标函数：单位进尺成本。目标函数：单位进尺成本。Ht)tt (CrCbCpm钻头单位进尺成本钻头单位进尺成本: :式中Cpm单位进尺成本，元/每米Cb钻头成本，元；Cr 钻机作业费，元/每小时；t钻头钻进时间，tt起下钻及接单根时间，H钻头进尺。 Ht)tt (CCCpmrb例题：例题： 某一型号某一型号PDCPDC成本成本1010万元，钻头钻进万元，钻头钻进15001500米后报废，此钻头纯钻时间米后报废，此钻头纯钻时间100100小时，小时，辅助钻进时间辅助钻进时间100100小时，钻机日费小时，钻机日费

3、2.42.4万元，万元，计算该钻头的平均机械钻速和每米成本？计算该钻头的平均机械钻速和每米成本？解：解： 钻头平均机械钻速钻头平均机械钻速：hmhmTHROP/151001500钻头单位进尺成本：钻头单位进尺成本：米元/2001500100100*1000100000HTTCCCpmtrb一、影响钻头使用效果的因素1 1、地层因素、地层因素 所钻地层岩石的机械力学特性；所钻地层岩石的机械力学特性； 地层条件：地层的均质性、地层的完整性，地层条件：地层的均质性、地层的完整性，地层造斜特性、井深、地层温度等。地层造斜特性、井深、地层温度等。2、 钻井方式 旋转钻井 动力钻具 复合钻井3、轨迹控制

4、造斜、稳斜4、井眼尺寸5、地质设计要求 如岩屑录井、取芯等。二、钻头类型的优选一）各种钻头特性对比一）各种钻头特性对比各种钻头特点比较钻头钻头特性特性牙轮钻头牙轮钻头PDC钻头钻头TSP钻头钻头单晶金刚石钻头单晶金刚石钻头切削齿材料及性切削齿材料及性能能硬质合金齿，强度高、硬质合金齿，强度高、抗冲击，耐磨性抗冲击，耐磨性较差。较差。聚晶金刚石与硬质聚晶金刚石与硬质合金复合而成，合金复合而成，耐磨、能自锐，耐磨、能自锐，抗冲击性能较抗冲击性能较差，热稳定性差，热稳定性较差。较差。热稳定性聚晶金刚热稳定性聚晶金刚石，耐磨，抗石，耐磨，抗冲击性能较差，冲击性能较差，热稳定性较高，热稳定性较高，形状多

5、样但尺形状多样但尺寸较小。寸较小。单晶金刚石，耐磨，单晶金刚石，耐磨，颗粒小，热稳颗粒小，热稳定性较差。定性较差。破岩方式破岩方式冲击与剪切冲击与剪切剪切剪切犁切犁切微剪切或磨削微剪切或磨削破岩效率破岩效率较高较高高高较高较高低低钻头寿命钻头寿命短短长长较长较长长长地层适应性地层适应性各类地层各类地层软至中硬均质地层软至中硬均质地层较硬至硬均质地层较硬至硬均质地层硬至极硬地层硬至极硬地层钻井参数钻井参数大钻压，低转速大钻压，低转速小钻压，中转速小钻压，中转速小钻压，高转速小钻压，高转速中钻压，高转速中钻压，高转速钻井方式适应性钻井方式适应性转盘，动力钻具转盘，动力钻具转盘，动力钻具及转盘，动力

6、钻具及复合钻井复合钻井复合钻井复合钻井复合钻井复合钻井定向性能定向性能较好较好最好最好好好井眼尺寸井眼尺寸较大井眼较大井眼无限制无限制无限制无限制无限制无限制事故率事故率高高低低低低低低录井限制录井限制无无有有有有有有各种类型钻头的使用范围1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12地层硬度级别牙轮钻头PDC钻头TSP钻头单晶金刚石钻头二）钻头类型选择方法二）钻头类型选择方法 1 1、根据地层条件、钻井方式、井眼轨迹控制要求、井眼尺寸以及、根据地层条件、钻井方式、井眼轨迹控制要求、井眼尺寸以及地质要求选择合适的钻头类型。地质要求选择合适的钻头类型。 2 2、在多种类型钻头都适宜的情况下

7、，要选择机械钻速高、寿命长、在多种类型钻头都适宜的情况下，要选择机械钻速高、寿命长、安全性好的钻头。安全性好的钻头。 3 3、选用的钻头对所要钻的地层是否适合，要通过实践的检验才能、选用的钻头对所要钻的地层是否适合，要通过实践的检验才能下结论。对于同一地层使用过的几种类型的钻头，在保证井身质量的下结论。对于同一地层使用过的几种类型的钻头，在保证井身质量的前提下，一般以前提下，一般以“每米成本每米成本”作为评价钻头选型是否合理的标准作为评价钻头选型是否合理的标准 结论：以钻头每米成本最低为原则。结论：以钻头每米成本最低为原则。举例： 在软至中硬地层，在软至中硬地层，PDCPDC钻头和牙轮钻头都可

8、选用；钻头和牙轮钻头都可选用； 如果地层均质，应尽量选用如果地层均质，应尽量选用PDCPDC钻头。因为钻头。因为PDCPDC钻头机钻头机械钻速高，安全可靠。械钻速高，安全可靠。 但如果地层破碎，软硬变换频繁夹层多，应选用牙轮但如果地层破碎，软硬变换频繁夹层多，应选用牙轮钻头。因为在这样的地层，钻头。因为在这样的地层，PDCPDC钻头易发生冲击破坏，影钻头易发生冲击破坏，影响钻头使用效果。响钻头使用效果。三、牙轮钻头的选型及分类法 牙轮钻头的设计参数牙轮钻头的设计参数( (包括齿高、齿距、包括齿高、齿距、齿宽、移轴距、牙轮布置等等齿宽、移轴距、牙轮布置等等) )，是根据不，是根据不同地层的需要设

9、计的，因此应根据不同的同地层的需要设计的，因此应根据不同的地层选用不同的钻头。地层选用不同的钻头。 1、牙轮钻头选型的原则 (1)(1)地层的软硬程度和研磨性地层的软硬程度和研磨性 地层的岩性和软硬不同，对钻头的要求及破碎机理也不同。软地层应选地层的岩性和软硬不同，对钻头的要求及破碎机理也不同。软地层应选择兼有移轴、超顶、复锥三种结构，牙轮齿形较大、较尖，齿数较少的铣齿择兼有移轴、超顶、复锥三种结构，牙轮齿形较大、较尖，齿数较少的铣齿或镶齿钻头，以充分发挥钻头的剪切破岩作用；随着岩石硬度增大，选择钻或镶齿钻头，以充分发挥钻头的剪切破岩作用；随着岩石硬度增大，选择钻头的上述三种结构值应相应减小，

10、牙齿也要减短、加密。头的上述三种结构值应相应减小，牙齿也要减短、加密。 研磨性地层会使牙齿过快磨损，机械钻速迅速降低，钻头进尺少，特别研磨性地层会使牙齿过快磨损，机械钻速迅速降低，钻头进尺少，特别容易磨损钻头的保径齿、背锥以及牙掌的掌尖，使钻头直径磨小，更严重的容易磨损钻头的保径齿、背锥以及牙掌的掌尖，使钻头直径磨小，更严重的是会使轴承外露、轴承密封失效，加速钻头损坏。因此，钻研磨性地层，应是会使轴承外露、轴承密封失效，加速钻头损坏。因此，钻研磨性地层，应该选用有保径齿的镶齿钻头。该选用有保径齿的镶齿钻头。(2)(2)井深井深 浅井段岩石一般较软，同时起下钻所需时间浅井段岩石一般较软，同时起下

11、钻所需时间较短，应选用能获得较高机械钻速的钻头；深井较短，应选用能获得较高机械钻速的钻头；深井段地层一般较硬，起下钻时间较长，应选用有较段地层一般较硬，起下钻时间较长，应选用有较高总进尺的钻头。高总进尺的钻头。 (3)(3)地层的自然造斜性能地层的自然造斜性能 在易斜地层钻进时，地层因素是造成井斜的客观因素，在易斜地层钻进时，地层因素是造成井斜的客观因素，而下部钻柱的弯曲以及钻头的选型不当则是造成井斜的技而下部钻柱的弯曲以及钻头的选型不当则是造成井斜的技术因素。在易斜地层钻进，应选用不移轴或移轴量小的钻术因素。在易斜地层钻进，应选用不移轴或移轴量小的钻头；同时，在保证移轴小的前提下，所选的钻头

12、适应的地头；同时，在保证移轴小的前提下，所选的钻头适应的地层应比所钻地层稍软一些，这样可以在较低的钻压下提高层应比所钻地层稍软一些，这样可以在较低的钻压下提高机械钻速。机械钻速。 (4)(4)地层的均质性地层的均质性 在软硬交错地层钻进时，一般应按其中较硬在软硬交错地层钻进时，一般应按其中较硬的岩石选择钻头，这样既在软地层中有较高的机的岩石选择钻头，这样既在软地层中有较高的机械钻速，也能顺利地钻穿硬地层。在钻进过程中械钻速，也能顺利地钻穿硬地层。在钻进过程中钻井参数要及时调整，在软地层钻进时，可适当钻井参数要及时调整，在软地层钻进时，可适当降低钻压并提高转速；在硬地层钻进时可适当提降低钻压并提

13、高转速；在硬地层钻进时可适当提高钻压并降低转速。高钻压并降低转速。2、牙轮钻头国内分类方法及型号代码 例：用于中硬地层、直径为8 1/2(2159 mm)的镶齿滑动密封轴承喷射式三牙轮钻头的型号为：8 1/2HP5或2159HP5。 3、IADC牙轮钻头分类方法及编号 全世界牙轮钻头的生产厂家众多，类型和结构繁杂，全世界牙轮钻头的生产厂家众多，类型和结构繁杂，为厂便于牙轮钻头的选择和使用，国际钻井承包商协会为厂便于牙轮钻头的选择和使用，国际钻井承包商协会(IADC International Association Of Drilling (IADC International Associa

14、tion Of Drilling Contractors)Contractors)于于19721972年制订了全世界第一个牙轮钻头的分年制订了全世界第一个牙轮钻头的分类标准，各钻头厂家生产的钻头虽有自己的代号，但都标类标准，各钻头厂家生产的钻头虽有自己的代号，但都标注了相应的注了相应的IADCIADC编号。编号。19871987年年IADCIADC将原有分类方法及编号将原有分类方法及编号进行了修改和完善，形成厂现在的分类及编号方法。进行了修改和完善，形成厂现在的分类及编号方法。 岩性级别代号，在第一位数码表示的钻头所适用的地层中再依次从软到硬分为四个等级。钻头牙齿特征及所适用的地层钻头结构特征

15、代号钻头附加结构特征代号 IADC IADC规定，每一类钻头用四位字码进行分类及编号，各字码的意规定，每一类钻头用四位字码进行分类及编号，各字码的意义如下：义如下： 第一位字码为系列代号，用数字第一位字码为系列代号，用数字1 18 8分别表示八个系列，表示钻分别表示八个系列，表示钻头牙齿特征及所适用的地层：头牙齿特征及所适用的地层： 11铣齿，低抗压强度高可钻性的软地层；铣齿，低抗压强度高可钻性的软地层； 2 2一铣齿，高抗压强度的中到中硬地层；一铣齿，高抗压强度的中到中硬地层； 3 3一铣齿，中等研磨性或研磨性的硬地层；一铣齿，中等研磨性或研磨性的硬地层； 4 4一镶齿，低抗压强度高可钻性的

16、软地层；一镶齿，低抗压强度高可钻性的软地层； 5 5一镶齿，低抗压强度的软到中硬地层；一镶齿，低抗压强度的软到中硬地层； 6 6一镶齿，高抗压强度的中硬地层；一镶齿，高抗压强度的中硬地层； 7 7一镶齿，中等研磨性或研磨性的硬地层；一镶齿，中等研磨性或研磨性的硬地层； 8 8一镶齿，高研磨性的极硬地层。一镶齿，高研磨性的极硬地层。 第二位字码为岩性级别代号，用数字第二位字码为岩性级别代号，用数字1414分别表示在第一位数码分别表示在第一位数码表示的钻头所适用的地层中再依次从软到硬分为四个等级。表示的钻头所适用的地层中再依次从软到硬分为四个等级。 第三位字码为钻头结构特征代号，用数字第三位字码为

17、钻头结构特征代号，用数字1 19 9计九个数字表示，计九个数字表示，其中其中1 17 7表示钻头轴承及保径特征，表示钻头轴承及保径特征，8 8与与9 9留待未来的新结构特征钻头留待未来的新结构特征钻头用。表示的意义如下：用。表示的意义如下： 11非密封滚动轴承；非密封滚动轴承； 22空气清洗、冷却，滚动轴承；空气清洗、冷却，滚动轴承； 33滚动轴承，保径；滚动轴承，保径； 4 4一滚动、密封轴承；一滚动、密封轴承； 5 5一滚动、密封轴承，保径；一滚动、密封轴承，保径； 66滑动、密封轴承；滑动、密封轴承； 7 7一滑动、密封轴承，保径。一滑动、密封轴承，保径。 第四位字码为钻头附加结构特征代

18、号，用以表示前面位数字无法表达的恃征，用英第四位字码为钻头附加结构特征代号，用以表示前面位数字无法表达的恃征，用英文字母表示，目前，文字母表示，目前，IADCIADC已定义了已定义了1111个特征，用下列字母表示个特征，用下列字母表示: : A A空气冷却空气冷却; ; C C中心喷嘴中心喷嘴; ; D D定间钻井定间钻井; ; E E加长喷嘴加长喷嘴; ; G G附加保径附加保径/ /钻头体保径钻头体保径; ; J J喷嘴偏射喷嘴偏射; ; R R加强焊缝：加强焊缝： SS标准铣齿标准铣齿; ; X X楔形镶齿楔形镶齿; ; R R圆锥形镶齿；圆锥形镶齿； ZZ其他形状镶齿。其他形状镶齿。

19、四、金刚石钻头的优选 1 1、金刚石钻头分类方法、金刚石钻头分类方法 影响金刚石钻头结构的因素主要是地层条件，影响金刚石钻头结构的因素主要是地层条件，因此其结构参数主要是根据地层特点确定。因此因此其结构参数主要是根据地层特点确定。因此其分类方法主要依据结构参数。其分类方法主要依据结构参数。2、IADC PDC钻头分类方法 IADCIADC于于19871987年制定了一个适于用金刚石钻头的年制定了一个适于用金刚石钻头的“固定固定切削齿钻头分类标准切削齿钻头分类标准”, ,并于并于1992 1992 年进行了修订。这个标年进行了修订。这个标准主要根据钻头的结构特点进行分类，并没有像牙轮钻头准主要根据钻头的结构特点进行分类，并没有像牙轮钻头那样考虑钻头适用的地层。但这个在世界范围内的统一标那样考虑钻头适用的地层。但这个在世界范围内的统一标准对金刚石钻头的分类、设计、制造、选型和使用都具有准对金刚石钻头的分类、设计、制造、选型和使用都具有重要意义。重要意义。 钻头分类号由四个字符组成，第一个钻头分类号由四个字符组成，第一个字符用英文字母表示钻头体的材料，第二字符用英文字母表示钻头体的材料，第二至第四个字符用阿拉伯数字分别表示钻头至第四个字符用阿拉伯数字分别表示钻头的布齿密度、聚晶金刚石复合片的布齿密度、聚晶金刚石